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표제지 2
목차 5
국문요약 12
Ⅰ. 서론 13
제1절 금속-공기 전지 연구배경 및 필요성 13
1. 탄소중립을 위한 친환경 발전기술 필요성 13
2. 친환경 분산전원 에너지시스템 22
제2절 금속-공기 전지 특징 비교 57
1. 마그네슘-공기 전지(Mg-Air Battery, MAB) 59
2. 아연-공기 전지(Zn-Air Battery, ZAB) 61
3. 알루미늄-공기 전지(Al-Air Battery, AAB) 62
4. 철-공기 전지(Fe-Air Battery, FAB) 64
5. 리튬-공기 전지(Li-Air Battery, LAB) 66
제3절 마그네슘-공기 전지 연구 동향 72
1. 금속 음극 합금(Alloy)에 대한 연구 동향 72
2. 금속 음극 구조에 대한 연구 동향 73
3. 공기 양극 다공성 구조에 대한 연구 동향 73
4. 전해질 농도 및 첨가물에 대한 연구 동향 74
5. 마그네슘-공기 전지의 실제 적용 사례 74
Ⅱ. 본론 76
제1절 마그네슘 음극(Mg Anode) 최적화 77
1. 마그네슘 음극 소재 및 활성부 갭 거리 성능 비교 78
2. 마그네슘 음극 전극 분포에 따른 최적 성능 85
3. 마그네슘 음극-전해질 최적성능 조건 분석 95
4. MAB 셀 직렬연결에 대한 전력성능 97
제2절 공기 양극(Air Cathode) 최적화 99
1. Oxide 계열 촉매제 설계 및 제작 99
2. 공기 양극 성능 비교 103
제3절 마그네슘 공기 발전기 설계 및 성능평가 104
1. 마그네슘-공기 전지 설계 및 셀 성능평가 104
2. 전해질 순환시스템 최적 설계 124
3. 마그네슘 공기 발전기 설계 134
4. 마그네슘 공기 발전기 성능 138
제4절 Mg-Air Generator 성능 및 신뢰성 시험 140
1. 전압/전류 정확도 및 오차 측정 142
2. MAB 단락시험 및 절연저항 143
3. 환경 내구성 시험 146
4. 기계적 내구성 시험 155
Ⅲ. 결론 158
참고문헌 161
Abstract 177
그림 01. 2050 탄소중립(Net-Zero)을 위한 탄소저감 기술 13
그림 02. 탄소중립 선언 국가 분류 지도 14
그림 03. 탄소저감을 위한 국제사회 협력 15
그림 04. 탄소중립 Net-Zero 개념 16
그림 05. 우리나라의 2050 탄소중립 시나리오 17
그림 06. 2050 탄소중립을 위한 기술 개발 전략 18
그림 07. 분산에너지시스템 개요 22
그림 08. 광역시도별 전력 수급 및 전력 자립도 24
그림 09. 분산전원 확대를 통한 장점 25
그림 10. 재생에너지 발전 비중 27
그림 11. 분산전원 발전비중 27
그림 12. 분산전원 발전량 전망 28
그림 13. 국내 발전설비용량 비중 29
그림 14. 태양광 발전 원리(광전효과) 31
그림 15. 태양광 발전 모듈 사진 32
그림 16. 국내 태양광발전 년도별 설치 누적 용량 33
그림 17. 국내 태양광발전 지역별 누적 설치 용량 33
그림 18. 국내 태양광발전 설치 현황 34
그림 19. 국내 폐태양광 패널 배출 예상 35
그림 20. 폐태양광 패널 사진 35
그림 21. 태양광발전 건설 사진 36
그림 22. 풍력발전 사진 37
그림 23. 글로벌 신규 해상풍력 설비 설치 용량 37
그림 24. 풍력발전기 구성요소 37
그림 25. 풍력발전기 발전 모식도 38
그림 26. 국내 풍력발전기 설치량 및 누적설치량 39
그림 27. 풍력터빈의 용량별 사이즈 비교 40
그림 28. 풍력발전 건설 사진 40
그림 29. 수소연료전지의 구성 및 발전 원리 41
그림 30. 수소연료전지 동작 모식도 42
그림 31. 국내 수소연료전지 보급량 43
그림 32. 금속-공기 전지 발전 모식도 45
그림 33. Metal-Air Generator의 구조 46
그림 34. 금속공기 전지의 친환경 분산전원 장점 47
그림 35. 태양광 발전과 금속-공기 전지 분산전원으로서 특징 비교 52
그림 36. 에너지저장장치(LIB)와 금속-공기 전지 분산전원으로서 특징 비교 53
그림 37. 디젤발전기와 금속-공기 전지 분산전원으로서 특징 비교 54
그림 38. 수소연료전지와 금속-공기 전지 분산전원으로서 특징 비교 55
그림 39. 금속-공기 전지와 리튬이온전지(LIB) 에너지밀도 비교 57
그림 40. 금속-공기 전지 특징 58
그림 41. 마그네슘-공기 전지 모식도 59
그림 42. 아연-공기 전지 모식도 61
그림 43. 알루미늄-공기 전지 모식도 63
그림 44. 철-공기 전지 모식도 65
그림 45. 리튬-공기 전지 모식도 67
그림 46. 금속-공기 전지 에너지밀도 비교 그래프 69
그림 47. MAG 발전 시 생성되는 부산물(Slurry) 구성물질 70
그림 48. 마그네슘-공기 전지 성능영향 요소 76
그림 49. 합금 마그네슘 음극 샘플 78
그림 50. 금속-공기 전지용 마그네슘 합금 전극의 방전 전압 특성 비교 79
그림 51. 마그네슘-공기 전지 갭 거리 성능 특성 실험 모식도 80
그림 52. 마그네슘-공기 전지 갭 거리 성능 특성 실험에 사용된 MAB 80
그림 53. 마그네슘-공기 전지의 갭 거리 변화에 따른 전압 출력 비교 81
그림 54. 갭 거리에 따른 방전시간 비교 그래프 82
그림 55. 갭 거리에 따른 Vₚₚ 비교 그래프 83
그림 56. 마그네슘 음극과 공기 양극 사이에 쌓인 부산물(Slurry) 84
그림 57. 마그네슘 음극 전극위치에 따른 전계의 불균일로 인한 표면 반응 차이 85
그림 58. MAB 반응 시 마그네슘 음극 파괴 발생 86
그림 59. 금속 음극 전극 위치에 따른 MAB 성능 영향 실험 모식도 86
그림 60. 금속 음극 전극 위치에 따른 전압 및 방전시간 87
그림 61. COMSOL Multiphysics를 이용한 금속-공기 전지 3차원 모델링 89
그림 62. 금속 음극 ATP C point의 전위(Electric potential) 분포 90
그림 63. 금속 음극 A point의 전계(Electric field) 분포 91
그림 64. 금속 음극 A point의 전류밀도(Current density) 분포 91
그림 65. 마그네슘 음극 전극지점 ATP 변화에 따른 음극 표면의 산화 메커니즘 92
그림 66. 마그네슘 음극의 전극 결합 방식 모식도 94
그림 67. 마그네슘-공기 전지 전해질 농도에 따른 성능 비교 95
그림 68. 마그네슘-공기 전지 전해질 농도에 따른 전압성능 비교 96
그림 69. 초기 MAB 셀 도면 97
그림 70. MAB 직렬연결 전력성능 시험 97
그림 71. MAB 직렬연결 전압-시간 그래프 98
그림 72. MAB 직렬연결 용량 그래프 98
그림 73. 공기 양극 제작 공정 101
그림 74. 공기 양극 제작 과정 101
그림 75. 공기 양극 다공성 구조 현미경 이미지 102
그림 76. 제조된 공기 양극의 출력 Data 비교 103
그림 77. 마그네슘 음극 형상에 따른 셀 장착 예시 106
그림 78. MAB 셀 1차 설계 107
그림 79. MAB 셀 1차 사진 107
그림 80. MAB 셀 최종 설계 및 구성요소 109
그림 81. MAB 셀 실물 사진 110
그림 82. MAB 셀 내부 모식도 110
그림 83. MAB 셀의 공기-양극 결합용 커버 나사산 111
그림 84. MAB 셀의 공기 양극 분해도 111
그림 85. MAB 셀 내부에 쌓이는 부산물 모식도 112
그림 86. MAB 셀 전해질 공급 및 부산물 처리 설계요소 112
그림 87. MAB 셀에 공기 양극 조립 과정 113
그림 88. MAB 셀의 마그네슘 음극 구성요소 114
그림 89. 마그네슘 음극 M6볼트 가공 114
그림 90. 마그네슘 음극 카트리지 조립 114
그림 91. MAB 셀에 마그네슘 음극 분해/조립도 115
그림 92. 마그네슘 음극 제작 도면 115
그림 93. MAB 셀에 마그네슘 음극 조립 과정 116
그림 94. 마그네슘-공기 전지 3D 모델링 117
그림 95. MAB 셀 1 m 낙하에 따른 시뮬레이션 결과 117
그림 96. 마그네슘-공기 전지 3D 모델링 118
그림 97. 물체 충돌 후 MAB에 가해진 충돌에 대한 시뮬레이션 결과 118
그림 98. MAB 셀 1 A 방전시험 119
그림 99. MAB 셀 1 A 방전시험 종료 후 마그네슘 음극 119
그림 100. MAB 셀 1 A 방전 시험 결과 120
그림 101. 전해질 순환시스템이 적용된 MAB 셀 방전한계 시험 사진 121
그림 102. 전해질 지속 공급 MAB 셀 1A 방전 후 마그네슘 음극 121
그림 103. 전해질 지속 공급 MAB 셀 1 A 방전시험 결과 122
그림 104. MAB 셀의 전류-전압(I-V) 특성 그래프 123
그림 105. MAB 셀 전력성능 123
그림 106. MAB 셀 전해질 공급 및 배출 모식도 124
그림 107. MAB 셀 유체 시뮬레이션 사진 125
그림 108. Solidworks Flow Simulation 매쉬 형성 125
그림 109. 전해질주입 유량체적 변화에 따른 MAB 셀 내부 유속변화 시뮬레이션 126
그림 110. MAB 부산물 침전과 전해질 공급&배출을 통한 셀 내부 순환 127
그림 111. 전해질 순환시스템 적용 후 MAB 셀 비교 127
그림 112. Mg-Air Generator의 전해질 공급 방식 128
그림 113. 전체 순환 방식 모식도 및 전해질 이동 예상 128
그림 114. 전체 순환방식을 적용한 MAG 셀 모듈의 Q₁, Q₆ 셀 내부 129
그림 115. 개별 순환 방식 모식도 및 전해질 이동 예상 129
그림 116. 개별 순환방식을 적용한 MAG 셀 모듈의 Q₁, Q₆ 셀 내부 130
그림 117. Mg-Air Generator의 전해질 공급 시스템 모식도 131
그림 118. Mg-Air Generator 시스템 부산물 필터 설계 및 사진 132
그림 119. Mg-Air Generator 시스템 부산물 필터 모식도 132
그림 120. Mg-Air Generator 부산물 필터 효과 및 수거된 부산물 133
그림 121. MAG 랙 구성요소 설계도 135
그림 122. Mg-Air Generator Rack 구성요소 136
그림 123. Mg-Air Generator 랙 1개 층 셀 구성 137
그림 124. Mg-Air Generator 랙 시스템 셀 결선 137
그림 125. 마그네슘 공기 발전기(Mg-Air Generator) 138
그림 126. MAG 랙 전력 성능 I-V 그래프 139
그림 127. MAB 전압, 전류 정확도 측정 시험 142
그림 128. MAB 단락 시험 사진 143
그림 129. MAB 단락 시 셀 온도 변화 144
그림 130. MAB 셀 절연저항시험 145
그림 131. MAB 셀 온도시험 146
그림 132. 온도시험 후 MAB 셀 정상동작 방전 그래프 147
그림 133. MAB 저온시험 150
그림 134. MAB 셀 저온방치시험 조건 151
그림 135. MAB 셀 저온방치시험 후 출력 성능 확인 151
그림 136. 내한시험 온도 프로파일 152
그림 137. 내한시험 직후 개방전압 측정 152
그림 138. 내열시험 온도 프로파일 153
그림 139. 내열시험 직후 개방전압 측정 153
그림 140. 온습도 사이클 온도 프로파일 154
그림 141. 온습도시험 직후 개방전압 측정 154
그림 142. MAB 모듈 충돌시험 155
그림 143. MAB 모듈 진동시험 156
그림 144. MAB 모듈 진동시험 이후 결과 156
그림 145. MAB 모듈 충격시험 157
그림 146. MAB 모듈 충격시험 이후 결과 157
초록보기
최근 대기 온실가스 농도 증가를 막기 위해 인류활동에 의해 배출되는 탄소량을 감소시키고 흡수량을 증대시켜 순배출량이 ‘Zero’를 이루는 탄소중립을 위한 노력이 활발하다. 본 논문은 탄소저감을 위해 발전 시 탄소가 발생하지 않고, 기존 재생에너지 대비 적은 면적에서 발전이 가능한 Mg-Air Generator(MAG)을 제안하고자 한다. 본 논문에서 제안하는 MAG는 금속-공기 전지 셀(Cell)을 모듈(Module)-랙(Rack) 형태로 조합하여 kW급 용량으로 구성한 발전장치이며, 다수의 MAB 셀을 직렬 및 병렬로 연결한 시스템이다. 기존의 금속-공기 전지 연구는 주로 금속 합금, 전해질 종류 및 농도에 집중되어 있으나, 본 연구는 분산전원으로 활용 가능한 대용량 셀 및 랙 시스템의 설계와 성능 평가에 초점을 둔 차별화된 연구이다.
MAB 셀은 금속 음극(Metal Anode), 공기 양극(Air Cathode), 전해질(NaCl)로 구성되며, 이들의 산화반응을 통해 전기에너지를 생성하는 발전 시스템이다. 본 연구에서는 최적의 MAB 설계를 위해 금속 음극과 공기 양극의 성능 요소를 분석하고, 전압 및 전류 특성 평가를 통해 최적의 셀을 설계 및 제작하였다. 설계한 MAB는 7.5 A 방전전류에서 0.8 V로 최고 성능을 확인했다. 또한, 단위 셀 당 1 A 방전 조건에서 전해질이 공급하지 않을 경우 130시간 동안 발전이 가능하며, 전해질 지속 공급 시 14일 발전이 가능함을 확인했다. 공기 양극의 최적성능을 위해 카본과 산화코발트, PTFE의 조성비를 설계했으며 압연공정으로 제작 시 압연기기의 압력과 가열온도에 따라 제작되는 공기 양극 성능 변화를 통해 최적의 제작방식을 연구했다.
분산전원으로써 장기적 지속가능한 발전을 유지하기 위해 전해질 공급 및 순환 장치를 개발하고, MAB 셀 내부 전해질 공급, 부산물이 배출되도록 2D/3D CAD 설계했다. MAB 셀 100개(25S-4P)로 구성된 MAG 랙 시스템을 구성하고 지속적 발전이 가능하도록 전해질을 순환 공급할 수 있는 시스템을 도입했다. 무부하 개방전압에서 33V, 방전전류 4 A에서 30.2 V, 120.9 W 및 방전전류 12 A에서 25 V, 300 W 출력성능을 확인하여 Off-Grid 분산전원으로써 가능성을 확인했다.MARC 보기
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